金属切削原理(5).ppt

模块一金属切削原理,知识点,刀具材料刀具几何角度的选择切削用量的选择切削液选择,技能点,选择正确的刀具材料合理选择刀具几何角度选择合适的切削用量选择合适的切削液,课题四金属切削条件的合理选择,一.课题分析,金属切削加工不仅要满足质量要求，而且还尽可能地体现经济性，所以在切削加工过程中，必须根据工件材料及其加工精度和表面质量要求，合理选择刀具材料及刀具几何参数，合理选择切削用量和切削液。以确保加工顺利的前提下，既保证加工质量，又能提高生产效率、降低加工成本。,1.刀具材料应具备的性能,二.相关知识,,2.常用刀具材料,包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。,有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金。,推广使用新型刀具材料如涂层刀具、陶瓷刀具、天然金刚石、聚晶金刚石、立方氮化硼等。,碳素工具钢（carbontoolsteel）含碳量较高的优质钢含碳量为0.7～1.2，如T10A等，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差。合金工具钢（alloytoolsteel）在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素而形成的。如9SiCr等，可适当减少热处理变形和提高耐热性。由于这两种刀具材料的耐热性较低，常用来制造一些切削速度不高的手工工具，如锉刀、锯条、铰刀、丝锥、板牙等，较少用于制造其它刀具。,（1）碳素工具钢和合金工具钢,（2）高速钢,高速钢（highspeedsteel）是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。热处理后硬度可达62～66HRC,抗弯强度约3.3GPa，有较高的热稳定性、耐磨性、耐热性。切削温度在500～650C时仍能进行切削。适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、插齿刀、剃齿刀、螺纹刀具和拉刀等。,按用途可分为通用高速钢和高性能高速钢。按制造工艺可分为熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢。按基本化学成份可分为钨系和钼系。,1）高速钢的分类,2）常用高速钢的牌号与性能,通用型高速钢W18Cr4V18-4-1由于钨价高，热塑性差，碳化物分布不均匀等原因，目前国内外已很少采用。高性能高速钢高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达67～70HRC，抗氧化能力、耐磨性与热稳定性进一步提高。可以用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。典型牌号有M42。粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末，然后再热压锻轧制成。适用于制造精密刀具、大尺寸滚刀、插齿刀刀具、复杂成形刀具、拉刀等。,硬质合金（carbides）是由高硬度和高熔点的金属碳化物碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等和金属粘结剂Co、Mo、Ni等用粉末冶金工艺制成。硬质合金刀具常温硬度为89～93HRA，化学稳定性好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达800～1000C。硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高5～10倍。但强度、韧度均较高速钢低，工艺性也不如高速钢。常制成各种型式的刀片，焊接或机械夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀柄刀体上使用。,（3）硬质合金,钨钴类（WCCo）；YG,属K类钨钛钴类（WCTiCCo）；YT,属P类钨钛钽（铌）类硬质合金（WCTiCTaC（NbC）Co）YW，属M类,1）硬质合金的分类,,,2）常用硬质合金的牌号及其性能,KYG（钨钴类）类硬质合金有较好的韧性、磨削性、导热性，适合加工短切屑的金属或非金属材料，如淬硬钢、铸铁、铜铝合金、塑料等。其代号有K01、K10、K20、K30、K40等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。精加工可用K01；半精加工可用K10，K20；粗加工选用K30。,P类（YT）（钨钛钴类）硬质合金以WC为基体,添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成。合金中TiC含量提高，Co含量就低，其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高，但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降，适合于精加工。适合加工长切屑的黑色金属，如钢、铸钢等。其代号有P01、P10、P20、P30、P40、P50等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。精加工可用P01；半精加工选用P10、P20；粗加工选用P30。,M类（YW）（钨钛钽（铌）类）在YTP类硬质合金中加入TaC或NbC，可提高抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度等，既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。适合加工长短切屑的金属材料，如钢、铸钢、不锈钢等难切削材料等。其代号有M10、M20、M30、M40等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。精加工可用M10；半精加工可用M20；粗加工选用M30。,（4）涂层刀具材料,通过气相沉积或其它技术方法，在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。常用的涂层coated材料有TiC、TiN、Al203及其复合材料等,涂层厚度随刀具材料不同而异。,硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。,在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好，并能有效降低切削温度。,第一层涂TiC，与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂TiN,减少表面层与工件间的摩擦。,第一层涂TiC,与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂Al203可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。,目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN复合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。,（5）其它刀具材料,1）陶瓷刀具材料,以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。其优点是硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强；其缺点是脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用范围受到限制；可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。,2）金刚石刀具材料,碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目前人工制造出的最坚硬物质。由于硬度极高，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生粘结或积屑瘤，可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达65～70HRC的材料。也可用于加工高硬度的非金属材料，如石材、压缩木材、玻璃等，还可加工有色金属，如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工。缺点是热稳定性差，强度低、脆性大，对振动敏感，只宜微量切削，与铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材。,3）立方氮化硼,立方氮化硼（CBN）是一种人工合成的新型刀具材料，它由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。它有很高的硬度及耐磨性，热稳定性好，化学惰性大，与铁系金属在1300℃时不易起化学反应，导热性好，摩擦系数低。因此可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料的加工。,应当指出，加工一般材料大量使用的仍是普通高速钢及硬质合金，只有在加工难加工材料时，才考虑选用新牌号合金或高性能高速钢，在加工高硬度材料或精密加工时，才考虑选用超硬材料。,二刀具角度的选择,1.前角γO,γO,,,刀刃锋利,,，切屑变形,,,切削力和切削功率,,刀刃和刀尖强度,,，散热体积,,,刀具寿命,,,,,γo1,,Pr,,,γo2,,取决于工件材料、刀具材料及加工要求。,工件材料强度、硬度较低时，应取较大前角，反之应取较小的前角。加工塑性材料时，应取较大前角，加工脆性材料时，应取较小的前角。刀具材料韧性好（高速钢），取较大前角，反之（硬质合金）取较小前角。粗加工时，取较小前角，精加工时，取较大前角。,2.后角αo,αo,,后刀面与工件的摩擦,,,后刀面的磨损率,,,（2）选择,取决于加工要求、工件材料及工艺系统刚度。,粗加工或工件材料较硬，后角取较小值；工件材料越软、塑性越大，后角越大；工艺系统刚度较差时，适当减小后角；,,3.主偏角κr和副偏角κr′,Kr和Kr′,,,刀刃强度,,表面粗糙度,,背向力FP,残留面积高度,,，散热条件,,,刀具寿命,,,，工件易变形,,,,kr1,,,Kr’,,,kr2,Fp,Ff,工艺系统刚性较好时，主偏角取较小值；反之取较大值。副偏角大小取决于表面粗糙度（5〜15，粗加工时取大值，精加工取小值。,4.刃倾角λs,主要影响刀头的强度、切削分力和切屑的流动方向。,加工一般钢料和铸铁，无冲击时粗车λs＝0〜－5，精车λs＝0〜5；有冲击时λs＝－5〜－15；特别大时λs＝－30〜－45。切削加工高强度钢、冷硬钢时λλs＝－30〜－45。,,复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为使切削刃始终处于锋利状态，刀具耐用度可选得低些。对于换刀、调刀比较复杂的数控刀具、自动线刀具以及多刀加工时，刀具耐用度应选得高些，以减少换刀次数，保证整机和整线的可靠工作。精加工刀具切削负荷小，刀具耐用度应比粗加工刀具选得高些。大件加工时，为避免一次进给中中途换刀，刀具耐用度应选得高些。,四切削用量的选择,合理切削用量是指使刀具的切削性能和机床的动力性能得到充分发挥，并在保证加工质量的前提下，获得高生产率和低加工成本的切削用量。,粗加工时，一次走刀尽可能切除全部余量，被吃刀量等于加工余量。,半精加工时，被吃刀量取为0.5～2mm。,精加工时，被吃刀量取为0.1～0.4mm,（1）被吃刀量的选定,（2）进给量的选定,生产实际中多采用查表法确定进给量。,粗加工时，进给量由机床进给机构强度、刀具强度与刚性、工件的装夹刚度决定。,精加工时，进给量由加工精度和表面粗糙度决定。,（3）切削速度的选定,在ap、f值选定后，根据合理的刀具耐用度或查表来选定车削速度。,在生产中选择切削速度的一般原则是,1）粗车时，ap、f较大，故选择较低的v；精车时，ap、f均较小，故选择较高的v。,2）工件材料强度、硬度高时，应选较低的v。,3）切削合金钢比切削中碳钢切削速度应降低20％～30％；切削调质状态的钢比正火、退火状态钢要降低20％～30％；切削有色金属比切削中碳钢的切削速度可提高100％～300％；,（4）刀具材料的切削性能愈好，切削速度也选得愈高。,（5）精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域。,（6）断续切削及加工大件、细长件和薄壁工件时，应适当降低切削速度。,（7）在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度。,3.粗、精加工选择切削用量的原则,粗加工首先选取尽可能大的被吃刀量；其次根据机床动力和刚性限制条件或加工表面粗糙度的要求，选取尽可能大的进给量；最后利用切削用量手册选取或者用公式计算确定切削速度。精加工主要考虑加工质量，常选用较小的背吃刀量和进给量，较高的切削速度，只有在受到刀具等工艺条件限制不宜采用高速切削时才选用较低的切削速度。,五切削液选择,1.切削液的作用,,（1）切削液的冷却作用,（2）切削液的润滑作用,使用切削液后，切屑、工件与刀面之间形成完全的润滑油膜，成为流体润滑摩擦，此时摩擦系数很小；实际情况是属于边界润滑摩擦，其摩擦系数大于流体润滑，但小于干摩擦。,,,（3）切削液的清洗作用,切削液cuttingfluid的冷却作用主要靠热传导带走大量的切削热，从而降低切削温度，提高刀具寿命；减少工件、刀具的热变形，提高加工精度；降低断续切削时的热应力，防止刀具热裂破损等。,水溶液主要成分是水，并加入少量的防锈剂等添加剂,有良好的冷却作用和清洗作用。,矿物油少量动植物油非溶性切削液主要起润滑作用。,乳化液乳化油用水稀释而成，具有良好的流动性和冷却作用，并有一定的润滑作用,按工件材料选用加工钢等塑性材料时，需要切削液；加工铸铁等脆性材料时，不用切削液。按刀具材料选用高速钢刀具耐热性差，粗加工时应选用以冷却作用为主的切削液，以降低切削温度；在精加工时应使用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液，以提高加工表面质量。硬质合金刀具由于耐热性好，一般不用切削液；按加工方法选用对半封闭、封闭加工，选用极压乳化液或极压切削油，以对切削区进行冷却、润滑和对切屑冲洗。磨削加工时，由于磨削区温度很高，磨屑会破坏已磨削表面质量,要求切削液具有良好的冷却、清洗、排屑和防锈性能，一般选用乳化液。,